Indizi di quinta forza e materia oscura?

Tasselli di un puzzle. O forse  tasselli di puzzle diversi. O più probabilmente due tasselli, un biscotto e un lego. Questo è lo stato della fisica fondamentale in questi ultimi anni. I pezzi principali sul tavolo sono:

1. Materia Oscura Tutti cercano – con disperazione crescente – la materia oscura, che costituisce il 23% della massa dell'universo. È quasi un secolo che ne è nota l’esistenza dal movimento delle galassie e degli ammassi di galassie, ma fino a ora tutti gli esperimenti costruiti per rivelarla non ne hanno trovato traccia.

La scienza del professor Moriarty, l’arcinemico di Sherlock Holmes

(parte dell'articolo apparso su wired)

(ne abbiamo parlato nel podcast 90 di scientificast)

Sherlock Holmes sta conoscendo un periodo di revival sia sul grande che sul piccolo schermo. Due film con Robert Downey Jr, il più recente con Ian McKellen (Mr. Holmes, 2015) e due serie televisive come Sherlock ed Elementary, ambientate nella Londra e nella New York dei giorni nostri. In molti adattamenti viene dato ampio spazio all’antagonista di Holmes, il genio del crimineprofessor Moriarty. In realtà, l’arcinemico per antonomasia compare direttamente solo in due avventure del grande investigatore ed è menzionato in appena altre cinque. L’autore delle avventure di Holmes, Sir Arthur Conan Doyle, concepì Moriarty come nemesi finale del suo ormai troppo famoso ed ingombrante detective ne L’ultima avventura del 1893). E, infatti, sia Moriarty che Holmes muoiono, stretti in un abbraccio mortale, cadendo dalle cascate di Reichenbach nel 1891. Doyle, però, sotto l’incredibile pressione del pubblico, è costretto a salvare Holmes a posteriori e farlo tornare nel 1894 ne L’avventura della casa vuota.

Holmes ci narra quel poco che sappiamo di Moriarty: prima di darsi al crimine era un matematico di formazione e professione. Erano altri tempi e non c’era precariato nella ricerca, almeno per menti geniali come la sua: ad appena 21 anni e con un solo trattato sul teorema binomiale, vinse una cattedra in una delle università minori del Regno Unito.

Il detective ci fa però sapere che Moriarty fu presto costretto a rassegnare le dimissioni dall’università, a seguito di “oscure dicerie”. Non conoscendo i fatti in prima persona, l’investigatore collegò i pettegolezzi alle prime malefatte del genio del male.

Ma fu veramente così? Lo scrittore Isaac Asimov ipotizza, in un racconto de I vedovi neri (The Ultimate Crime, 1976), che le dimissioni di Moriarty fossero piuttosto causate dall’ostracismo accademico scatenati dalle sua rivoluzionarie ed eretiche teorie.

Holmes considerava Moriarty un “genio, un filosofo, un pensatore astratto e mente di prim’ordine”. Ne La Valle della paura (1914) dice di lui: “Non è forse il celebrato autore di La dinamica di un asteroide, un libro che ascende a picchi così rarefatti di alta matematica che si dice che nessun esponente della letteratura scientifica sia stato in grado di recensirlo?”.

Sherlock non conosceva il trattato e, dato che nessun recensore ne aveva compreso il significato, ne ignorava il contenuto. Anche se non gli si può rimproverare di non aver letto una monografia di matematica astratta, il più famoso detective del mondo aveva comunque vaste lacune nella sua educazione. John Watson ci rende partecipi (Uno studio in rosso, 1887) della sua sorpresa nello scoprire che Holmes, fieramente, ignorava sia la struttura delSistema solare che lo stesso sistema copernicano, 

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Cos'è la Forza

(no spoiler) Spiegone lungo del gif animato apparso originariamente qui.

Sicuramente non sono midiclorians, sciocche superstizioni di un giovane Obi-Wan, e un ormai senescente George Lucas  (non che JJA abbia fatto meglio, ma non divaghiamo).

D’altro canto in rete circola questa immagine in cui un anziano Obi-Wan cita la seconda legge di Newton: F=ma (sotto le formule pizzose). Questa equazione è rivoluzionaria perché sancisce che la somma delle forze agenti su un corpo lo accelera, ossia ne fa variare la velocità. Per secoli si è invece pensato che fosse necessaria una forza continua per mantenere un corpo in moto perché non si comprendeva il ruolo di tutte le forze di attrito, che dissipano energia sotto forma di calore.

Tuttavia la formulazione nota come "legge di Newton" (enunciata da Obi-Wan) non è corretta perché non tiene conto dei casi in cui la massa varia. L’espressione più generale (formulazione di Yoda) dice che la forza applicata a un corpo ne varia l’impulso p, ossia il prodotto tra la massa del corpo per la sua velocità.

Cosa sono le onde gravitazionali

La grande onda (non gravitazionale)
di Kanagawa di Katsushita Hokusai.

Con il lancio di LISA-pathfinder la ricerca di onde gravitazionali muove i primi passi nello spazio.

Le onde gravitazionali sono l’ultimo  baluardo della forza di gravità, che resiste ancora ad ogni tentativo di rivelazione (qui il podcast sulle onde gravitazionali in cui Giuliana intervista il prof. Calloni dell’Università di Napoli)

Fu Newton a intuire per primo le caratteristiche della forza di gravità. Il filosofo del XVII secolo si rese conto che la forza che vincola la luna a orbitare attorno alla terra è la stessa che ci tiene ancorati al nostro pianeta. Tutti i corpi dotati di massa si attraggono tra loro, ipotizzò Newton, ma la forza di gravità è così debole che nell’esperienza quotidiana possiamo percepire solo l’attrazione terrestre.

La legge di gravitazione universale formulata da Newton nel 1687 è più che sufficiente a descrivere il moto dei pianeti nel sistema solare e rese possibile la scoperta del pianeta Nettuno – circa due secoli dopo (1846) – proprio a partire dalle perturbazioni causate da questo corpo celeste nell’orbita di Urano. Non è mai riuscita, però, a chiarire le anomalie dell’orbita di Mercurio, che è troppo vicino al Sole affinché la trattazione classica della gravità sia sufficiente a darne una spiegazione esauriente. (#stacce1)

Le equazioni della luce: le tre tappe fondamentali firmate Maxwell, Planck ed Einstein

Parte 1: Le equazioni di Maxwell

(questo post  è apparso su sito del disf, Documentazione Interdisciplinare di Scienza e Fede nell'ambito su una serie di articoli su "La luce e la filosofia della scienza", per l'anno internazionale della luce)

Pur essendo la luce uno dei mezzi principali con cui percepiamo ed investighiamo il mondo che ci circonda, una comprensione della sua reale natura e dei fenomeni ad essa connessi  è stata possibile solo con i progressi compiuti tra il XIX e XX secolo.







Figura 1. Il campo magnetico generato da una calamita. Il carattere dipolare delle linee di forza è evidenziato dalla limatura di ferro che è attratta da esso.  

 

Un primo grande passo fu la descrizione unificata di elettricità e magnetismo, noti – ma considerati distinti – da migliaia di anni: sfregando due panni di tessuti diversi questi si caricano di cariche elettriche uguali ed opposte che generano un campo elettrico. Analogamente una calamita genera un campo magnetico[1], con poli diversi che si attraggono e uguali che si respingono (Figura 1).  

Realizzando i primi circuiti elettrici si notò che un filo percorso da corrente, quindi da cariche elettriche in movimento, genera un campo magnetico (Oersted, 1820); analogamente un campo magnetico deflette la traiettoria di una carica elettrica (Forza di Lorentz, ma derivata per primo da Oliver Heaviside nel 1889).

Questi indizi mostrarono come ci dovesse essere una relazione tra cariche elettriche e campi magnetici. Si trattava comunque di casi stazionari, e quindi non dipendenti dal tempo, che non consentivano di apprezzare l'intima connessione tra i due fenomeni, investigata inizialmente da Faraday. Nel 1831, infatti, Faraday osservò che, ponendo un circuito elettrico in un campo magnetico e aumentando o diminuendo l’intensità del campo, si generava nel circuito una corrente elettrica: la variazione di campo magnetico generava un campo elettrico che faceva muoveva le cariche nel circuito.

 





Figura 2. Il campo elettromagnetico (matrice Fμν) è rappresentato, in questo caso, da un cono a base circolare. Le sue "ombre" possono apparirci molto diverse a seconda della prospettiva Nel caso 1. come un triangolo (campo elettrico) mentre nel caso 2. come un'ellisse (campo magnetico), ma sono solo aspetti differenti dello stesso fenomeno.  

 

Successivamente Maxwell notò come variazioni di campo elettrico generavano un campo magnetico e riportò i suoi risultati in un lavoro del 1861, On physical lines of force. In questo fondamentale articolo sono presenti le quattro equazioni del campo elettromagnetico che poi prenderanno il suo nome. Esse racchiudono tutte le proprietà dei fenomeni elettrici e magnetici e ne forniscono una trattazione valida ancora oggi.

L'unificazione dei campi elettrici e magnetici in una sola teoria fu un enorme balzo in avanti concettuale. Tramite le equazioni di Maxwell è stato possibile progredire da una visione di ombre bidimensionali, rappresentate dai distinti campi elettrici e magnetici, alla comprensione del reale oggetto tridimensionale: il campo elettromagnetico (Figura 2). Ciò ha consentito di passare da un uso limitato a calamite e cariche elettrostatiche al mondo moderno, i cui progressi tecnologici sono quasi esclusivamente basati sull'eredità lasciataci da Maxwell ed i suoi colleghi.

Generatori di corrente alternata, linee di trasmissione elettrica, trasformatori e motori funzionano, basandosi su queste equazioni, con campi elettrici che variano lentamente nel tempo (ad esempio la corrente di casa è alternata a 50 Hertz, ossia oscilla 50 volte in un secondo).

 





Figura 3. Schema di un'onda elettromagnetica  

 

Nel 1865 Maxwell dimostrò, inoltre, che – a partire dalle ”sue” equazioni – era possibile ricavare l’equazione delle onde. Questa equazione si applica a qualunque tipo di fenomeno oscillante ed è quindi la stessa che descrive la propagazione delle onde acustiche, sismiche o marine. Mentre il suono è un’onda di compressione dell’aria lungo la direzione di propagazione, nelle onde elettromagnetiche ad oscillare sono i campi elettrici e magnetici, in un alternarsi periodico e sincrono. Il campo magnetico è sempre ortogonale al campo elettrico ed entrambi sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda. Le proprietà sono definite solo dalla lunghezza dell'onda elettromagnetica, ossia la distanza che l’onda percorre – a 300.000 km al secondo – mentre il campo compie una completa oscillazione (Figura 3).

Alternativamente si può usare la frequenza, il numero di oscillazioni al secondo compiute dai campi elettrici e magnetici (la lunghezza d'onda è pari alla velocità della luce diviso la frequenza). Ad esempio, le onde della radio hanno lunghezze d’onda pari a centinaia di metri (o frequenze di MHz) mentre i raggi gamma più intensi possono avere lunghezze d’onda inferiori al nucleo atomico (10^-12 m, con frequenze di 10²⁰Hz).

Maxwell e le successive misure sperimentali di Hertz confermarono che la luce visibile altro non era che un’onda elettromagnetica dove, a ciò che noi percepiamo come colori diversi, in realtà corrispondono lunghezze d'onda diverse[2].

 





Figura 4. La luce solare bianca scomposta da un prisma nei colori fondamentali.  

 

La luce visibile occupa comunque un intervallo ristrettissimo dello spettro delle onde elettromagnetiche (e.m.): tra 0.39 micrometri (rosso) e 0.7 micrometri (blu-violetto) (Figura 4). Il motivo per cui i nostri occhi si sono evoluti per ricevere queste onde non è casuale: è infatti legato al picco delle emissioni della radiazione solare, descritte da un’altra fondamentale equazione della luce, derivata da Planck.

Se l’equazione che descrive la propagazione delle onde e.m. è simile a quella delle onde sonore, marine o sismiche, vi è comunque una fondamentale differenza: un’onda e.m. è in grado di diffondersi liberamente nel vuoto senza la necessità di alcun mezzo che invece – per analogia alle onde meccaniche – si supponeva fosse indispensabile alla sua propagazione. Il problema dell’etere, immaginario supporto per le onde e.m., rimase in sospeso sino all'esperimento di Michelson–Morley del 1887.

La descrizione dell'elettromagnetismo fornita dalle equazioni di Maxwell ha anche il pregio di essere compatibile con la teoria della Relatività speciale[3]. Lorentz derivò infatti le sue trasformazioni di coordinate – alla base della successiva teoria di Einstein – proprio imponendo che dovessero lasciare immutate le equazioni di Maxwell.

Un'altro cruciale lascito delle equazioni di Maxwell è quello dell'unificazione di fenomeni e forze fondamentali della natura, alla base di tutte le ricerche di fisica fondamentale del XX e XXI secolo: la forza elettromagnetica è stata ulteriormente combinata con quella nucleare debole in una teoria ancora più generale. Gli sforzi per associare anche la forza nucleare forte e gravitazionale costituiscono una delle più ambite frontiere della ricerca della fisica moderna.

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Note

[1] Il termine magnete deriva dalla città greca (ora presso Smirne, in Turchia) di Magnesia ad Sipylum dove, per la prima volta, fu rinvenuto il minerale di magnetite che esibiva queste proprietà.

[2] L’uso dei prismi aveva già permesso a Newton di mostrare come la luce bianca non fosse altro che la somma di tanti colori diversi. Questi colori furono chiamati fondamentali perché, ad un successivo passaggio nel prisma, non venivano ulteriormente scissi.

[3] È l'invarianza di questi fenomeni a confermarci che elettricità e magnetismo sono la stessa cosa. Infatti, sappiamo che una carica elettrica stazionaria genera un campo elettrico ed una in movimento genera un campo magnetico. Se quindi prendiamo un filo con una carica elettrostatica percepiamo un campo elettrico. Se invece iniziamo a muoverci rispetto al filo, la carica elettrica sarà in movimento rispetto a noi e misureremo un campo magnetico (Figura 5a e 5b). 

 





Figura 5a. Un filo con una carica elettrostatica genera un campo elettrico con linee di forza radiali  

 





Figura 5b. Se ci muoviamo rispetto al filo non percepiamo più una carica costante ma una corrente e dunque un campo magnetico con linee di forza circolari. 

Corso di Fisica presso Università Uninettuno

In questi giorni il canale satellitare dell'Università Telematica Uninettuno (812 su sky oppure qui) ha incominciato a trasmettere alle ore 17:00  le lezioni del corso di Fisica per la facoltà di Ingegneria. Le 50 lezioni - registrate  in circa 24 mesi presso gli studi dell'università - coprono la fisica classica, meccanica, termodinamica, elettromagnetismo ed ottica.

 Dati i vincoli imposti dal mezzo televisivo e l'uso delle slides è stato necessario focalizzarsi sulla descrizione dei fenomeni tralasciando la maggior parte dei  calcoli e delle dimostrazioni che di solito sono alla base dei corsi "alla lavagna".

In compenso è stata una buona occasione per effettuare molti esperimenti (la maggior parte dei quali  distruttivi) in studio o  a casa e poi inserirli  nelle lezioni.  Cercherò di riproporre alcuni di questi nei prossimi post del blog.

Il Microonde

Nota: NON FATELO A CASA. Non ci pensate neanche. No.

La ragazza suonò il campanello. Con sé aveva una vaschetta di gelato e un cofanetto di DVD.

Mentre aspettava che la sua amica Anna aprisse, sul pianerottolo giunse un'altra persona. Alto, maglietta attillata sui bicipiti muscolosi e tatuati, capelli ossigenati. “Ciao, fata, aspettavi me?”, le disse.

“No”, rispose lei, devo andare qui, disse indicando la porta dell’appartamento accanto.

Il tinto-biondo aprì la porta del suo appartamento, “Sei sicura, fata? Secondo me ti diverti di più con me”.

Lei non rispose. Il ragazzo dopo un attimo di attesa le fece l’occhiolino ed entrò in casa dicendo: “Non sai che ti perdi”.

La ragazza approfittò dell’occasione per scrutarlo di spalle. “Non ci siamo, bello mio. Mica puoi fare solo pettorali e bicipiti. Mancano gambe e glutei, caro il mio posteriore flaccido”, si disse.

Dimmi qualcosa di romantico: Amore e quantum entanglement

Al termine della cena lei gli disse: “Dimmi qualcosa di bello!”.

Lui le rispose scrivendo su un fazzoletto: “(∂ + m) ψ = 0”.

La luce delle candele che lei aveva messo sul tavolo  illuminava fiocamente l'equazione. Lei si avvicinò confusa e chiese: "Cos'è questa roba?"

Lui le sorrise compiaciuto: "È la formula dell'entanglement, del groviglio quantistico! Se due sistemi interagiscono tra loro per un certo periodo di tempo e poi vengono separati, non possono più essere descritti come due sistemi distinti, ma   diventano un unico sistema… proprio come noi".

Lei ricambiò il sorriso, arrossendo. Si alzò e  prese una prolunga della corrente da un mobile. Gli si avvicinò  mormorando suadente nell’orecchio: "Chiudi gli occhi".

Lui guardò il cavo e  ubbidì, con un sorriso ebete sul volto, “Hai gusti… particolari?”, chiese.

Per tutta rispota lei gli  avvolse velocemente la prolunga intorno al collo dicendo: "Disaggrovigliati da questo!"

Il ragazzo provò a liberarsi ma senza successo. La prolunga era sfilacciata e miriadi di fili appuntiti di rame gli si infilavano nella carne come tanti spilli. Ogni tentativo lo avvolgeva sempre di più al filo elettrico. 

La ragazza terminò di legarlo e disse: “Primo: L’equazione è tutta sbagliata. Ci va  un meno davanti alla massa, la quantità immaginaria davanti alla derivata e la derivata è tagliata: (i∂ - m) ψ = 0”. Prese un mestolo di legno e lo colpì in testa

 “Secondo: è quel taglietto sulla derivata a fare tutta la differenza. Quella non è UNA equazione ma un sistema di QUATTRO equazioni.  È lì il genio di Dirac: cercando di mettere insieme  meccanica quantistica con la relatività di Einstein si accorse che non era possibile scrivere un’equazione di particelle cariche con spin (per cui servono due equazioni), come ad esempio l’elettrone, senza avere anche due  soluzioni ad energia negativa. Originariamente si pensò ad un mare di particelle, detto appunto mare di Dirac, ma poi ci si rese conto che  le altre  due equazioni rappresentavano, il positrone, l'antiparticella dell'elettrone.”

“Il mare di Dirac?” riuscì a mormorare lui, “non era  in una puntata di Evangelion?”

Altra mestolata, ancora più forte.

“Terzo: il quantum entanglement ha senso per i sistemi microscopici. Se una particella a carica nulla decade producendo due particelle di carica  opposta ciascuna delle due particelle non ha carica determinata  sino a che qualcuno non la misura”.

“Come quando io non so se fuori piove o no?”, chiese lui.

“No!” Colpo sulla fronte. “La pioggia è un sistema macroscopico. Fuori o piove o NON piove. Sei tu che sei ignorante di quello che succede all’esterno. In un sistema microscopico la carica di ciascuna particella è sia positiva che negativa. Quando fai la misura e trovi ad esempio una particella con carica negativa allora puoi star sicuro che l’altra particella, si trovasse anche all’altro capo della galassia, assumerà istantaneamente carica positiva”

Il sangue iniziava a colare sul volto di lui, ma la foga della ragazza, per quanto eccessiva gli piaceva. “Istantaneamente, vuoi dire più veloce della luce?”, rispose preparandosi all’ennesima botta.

Stranamente non giunse nulla: “Esatto. Einstein evidenziò questo paradosso come limite della meccanica quantistica, ma poi alla lunga si convinse  che era così che il mondo microscopico funziona. Anche perché in ogni caso non è possibile trasmettere informazione o comunicare in questo modo. Sono stati fatti vari esperimenti che confermano questo fenomeno”.

“Allora è vero che tutti gli esseri dell’universo sono collegati tra loro. Come la Forza in Guerre Stellari”

Lei riprese a colpirlo ripetutamente con il mestolo, sempre più forte. Ogni parola un colpo “Quale. Parte. Di. 'Non. È. Possibile. Comunicare'. Non ti è chiara?” il mestolo si ruppe lasciando il volto del ragazzo insanguinato “Basta con queste scemenze new age, oltretutto da quando Lucas ci ha messo i Midicosi nelle nuova trilogia ha distrutto anche la poesia ed il fascino della Forza”.

“Ma tu come fai a sapere tutte queste cose?” chiese il ragazzo. Lentamente si stava districando dal cavo elettrico. Già pensava al dopo pregustandolo.

“Ho studiato questa roba sui libri, non su facebook, ho un dottorato in fisica”.

Uno sguardo scettico si fece strada sul volto di lui:  “Ma come è possibile, una ragazza così carina come….”

Non fini la frase. Lei infilò la presa nel muro.

ribloggato da scientificast
(c) Marco Casolino Tutti i diritti riservati

Niente panico, non è (purtroppo) un monopolo magnetico DOC.

In natura è possibile trovare particelle con carica elettrica positiva (il protone) e negativa (l'elettrone).  L'atomo di idrogeno è costituito da un elettrone che si trova intorno ad un protone. Sfregando tra loro  due panni differenti è possibile  separare le cariche elettriche positive da quelle negative, caricando elettrostaticamente i due oggetti.
Altrettanto non può dirsi per i poli magnetici: infatti le calamite hanno sempre un polo nord e sud e se le spacchiamo in due, i frammenti continueranno ad avere ciascuno un polo nord ed un polo sud.
Questo perché il campo magnetico è generato dalla corrente di miriadi di elettroni che ruotano attorno agli atomi. Tagliando in due il magnete, gli elettroni continuano a girare attorno agli atomi e non cambia niente.
D'altro canto, elettricità e magnetismo non sono altro che due facce della stessa medaglia: infatti se ho una carica elettrica stazionaria sperimento un campo elettrico, se invece mi muovo rispetto alla carica elettrica, per me quella non è altro che una corrente e quindi sperimento un campo magnetico.
L'unificazione del campo elettrico e magnetico in un campo elettromagnetico è stata effettuata alla fine del XIX secolo: è stata compiuta da Maxwell che ha formalizzato in quattro equazioni le leggi che descrivono luce, onde radio, raggi X ed i fenomeni elettrici e magnetici separatamente.
Tuttavia - nonostante il loro fascino e la loro eleganza - le equazioni appaiono stranamente asimmetriche: manca infatti il termine della carica magnetica isolata, ossia del monopolo magnetico.
L'esistenza di anche un solo di essi  avrebbe conseguenze rivoluzionarie per la tutta la fisica moderna, dalla meccanica quantistica alla teoria del Big Bang

I ricercatori autori dell'articolo pubblicato su Nature non hanno osservato un monopolo. hanno creato un sistema che si comporta come se ci fosse un monopolo. Questo traguardo è comunque molto importante, perché consente di studiare sistemi complessi e verificare teorie matematiche che altrimenti potrebbero restare astratte ancora per secoli (un altro esempio sono i difetti e  le correnti topologiche che si comportano come le stringhe della fisica delle particelle).

Un risultato importante, ma lungi dal meritarsi il titolo (errato) di molti giornali tale da indurre in molti un sobbalzo sulla sedia stile Zio Paperone.  Magari bastava leggere non dico l'abstract, ma il solo titolo: Observation of a magnetic monopole in a synthetic magnetic field.

Nuova produzione di antimateria, ma siamo ancora lontani dall’Enterprise

È di queste ore l'annuncio della creazione di un fascio di antimateria stabile al CERN da parte dell'esperimento Asacusa. Come suggerisce il nome, un gioco di parole con uno dei maggiori templi di Tokyo, Asakusa (lett. bassa erba) l'esperimento è diretto da un giapponese,Yasunori Yamazaki del RIKEN, ma si avvale della collaborazione di scienziati di tutto il mondo.

Siamo lontani anni luce dalle fesserie farneticate in "Angeli e Demoni" e anche dai motori dell'Enterprise, ma questi studi aprono scenari forse ancora più importanti per lo studio della fisica fondamentale.

Cos'è l'antimateria?

Le antiparticelle sono quasi identiche alle particelle di materia normale: la principale differenza è che hanno carica elettrica opposta. Quando una particella si scontra con un'antiparticella si ha la totale conversione in energia, producendo alcuni raggi gamma. Questo fenomeno è usato quotidianamente nella PET (Positron Emission Tomography) per la diagnostica di tumori.

Che ha di particolare questo esperimento?

Si parla di antimateria e non di antiparticelle perché è un fascio di anti-atomi di (anti)idrogeno, ossia un antiprotone (negativo) intorno al quale orbita un positrone (positivo), mentre gli atomi di idrogeno ordinario sono formati da un protone (positivo) e un elettrone (negativo). Il fatto di essere elettricamente neutri e a temperature molto vicine allo zero assoluto permette al gruppo di atomi di restare in vita per un periodo molto lungo e studiare in dettaglio le proprietà di questo sistema.

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Dalle missive decrittate a Costantinopoli e dalla tipografia italiana del '500 sino alla Stazione Spaziale: XIII Settimana della Lingua Italiana in Turchia

Le scale dell'università di Ankara,
colorate come protesta
contro il governo.

Su invito degli Istituti Italiani di Cultura di Ankara ed Istanbul, ho avuto modo di partecipare con due relazioni alla XIII settimanadella lingua italiana nel mondo. Si è trattato di un’esperienza molto interessante, grazie soprattutto all’impeccabile ed amichevole organizzazione dei Direttori degli Istituti, Gianluca Biscardi e Maria Luisa Scolari ed alla presenza dell'Ambasciatore d'Italia ad Ankara Gianpaolo Scarante. 

Con l'occasione ho avuto modo di assistere alla relazione “Tipofilologia: una disciplina filologica fondata in Italia e ora diffusa in tutto il mondo” del Prof. Antonio Sorella dell’Università di Chieti Pescara. 

Oggetto della relazione erano le differenze tipografiche,  minute ma significative, frutto di correzioni dell'autore in corso di stampa. Particolarmente interessante il fatto che l’impostazione tipografica, di punteggiatura e visiva della pagina moderna e dei libri moderni sia stata data dall’italiano Pietro  Bembo.

Trova la differenza! Il prof. Sorella con due testi di Tolomei
 che differiscono per un piccolo particolare
(la soluzione è in fondo)

Altrettanto interessante il tema toccato dal Prof.  Bruno Crevato-Selvaggi, "La Posta del Bailo veneziano" sull’efficiente sistema di comunicazioni postali tra Costantinopoli e Venezia. 

 Questo servizio è durato per più di due secoli ed era particolarmente veloce ed efficiente e partiva dal "Palazzo Venezia" di Costantinopoli, ora sede del Consolato italiano a Istanbul. Anche con l’incedere della concorrenza dell’Impero Austroungarico, rimase però preferito da molti perché gli Asburgo leggevano e decrittavano illegalmente - allora come adesso - le lettere degli ambasciatori delle altre nazioni.

Ringrazio in particolar modo il pubblico presente ai  miei contributi [Misteri e sfide della fisica spaziale nel XXI secolo (Univ. Ankara) e Studying the Early and Extreme Universe from the International Space Station (IIC Istanbul), Fisica Spaziale e delle Particelle (Liceo Galileo Galilei, Istanbul)] anche per aver contribuito al dibattito con una serie di stimolanti domande. 

Soluzione: Millle ha tre "l" in una delle due versioni.

Italia del Futuro: inaugurazione a Tokyo della mostra scientifica e tecnologica

Nell'ambito delle attività dell'Italia in Giappone 2013 si è svolta ieri l'inaugurazione della mostra Italia del Futuro. Partecipanti -  tra gli altri -  il Presidente dell'INFN Ferroni, del CNR Nicolais, del RIKEN Noyori, della JSPS Anzai.

Dopo l'intervento dell'Ambasciatore Giorgi,  molto attento alle problematiche dello scambio scientifico e tecnologico tra l'Italia ed il Giappone, vi sono stati gli interventi dei partecipanti, moderati dall'addetto scientifico Alberto Mengoni.

Il Presidente dell'INFN Prof Fernando Ferroni, presenta
l'esperimento JEM-EUSO, una delle attività di collaborazione tra
 Italia e Giappone nelle  ricerca in fisica  fondamentrale 

Tra questi, Ferroni ha presentato le attività principali di collaborazione tra Italia e Giappone, tra cui Opera (fascio di neutrini dal Cern al Gran Sasso), JEM-EUSO, un rivelatore di raggi cosmici di ultra-alta energia dalla stazione spaziale e SuperKEK B. 

Molto interessanti sono stati gli inteventi dei gaipponesi, soprattutto della JSPS Anzai. La JSPS è un organismo centrale preposto all'assegnazione di fondi in Giappone: inoltre promuove scambi internazionali invitando ricercatori e studenti dall'estero in Giappone. 

Il Presidente del RIKEN Ryoji Noyori,
 Premio Nobel per la Chimica 2001

Gli interventi  contributi del Direttore dell'IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) Roberto Cingolani e di Paolo Dario (Isitituto di Biorobotica, Scuola Superiore di Sant'Anna) hanno introdotto la dimostrazione del robot iCub, un interessante e simpatico automa open-source ed open-platform che coniuga tecnologia avanzatissima con un gusto artistico che ne facilita l'interazione con l'uomo (punto fondamentale se  dovranno essere usati in asili e case per anziani).

Il Presidente della JSPS, Yuichiro Anzai

La mostra è allestita all'Istituto Italiano di Cultura in Tokyo: non è molto grande ma presenta molti interessati stand con cui è possibile interagire con le tecnologie sviluppate in Italia,  spesso in collaborazione con il Giappone.



Tasto dolente  per l'Italia del "Futuro" è l'assenza di prospettive per il precariato della ricerca: questo è un problema che si riscontra anche in Giappone (molti post-doc, poche posizioni permanenti), dove però gli sbocchi professionali nelle università o nell'industria (che riconosce l'esperienza acquisita) sono maggiori che in Italia. Inoltre, come puntualizzato da Ferroni, in Giappone vi è un ente nazionale, la JSPS, che promuove lo scambio di ricercatori e studenti con l'estero, mentre nel nostro paese questo è lasciato alle iniziative dei singoli enti sui  pochi fondi ed evanescenti fondi.
Se l'Italia è il paese dove si riesce a compensare la carenza di risorse con l'iniziativa e l'inventiva personale, sarà difficile riuscire a recuperare un trend negativo che prosegue da anni (e con scarsissimo ricambio di personale) e che non accenna ad invertire direzione.

Il Robot iCub

Riken Open Campus, 20 aprile 2013

Logo della manifestazione

Anche quest'anno il prossimo sabato 20 aprile 2013 si terrà - dalle 9.00 alle 16:00  l'open day del RIKEN (qui il link in Giapponese).  Questa manifestazione, che coinvolge tutti  i laboratori dell'istituto, mira a far toccare con mano  le ricerche che vengono svolte nel campo della  fisica, biologia, medicina, chimica....  Sono previste sia conferenze divulgative che esperimenti da svolgere con i partecipanti.

Come l'anno scorso, anche il nostro laboratorio sarà coinvolto con una serie di conferenze divulgative sullo spazio (in giapponese ed inglese), con video in 3D, l'uso di lenti di Fresnel ed il modello del'esperimento JEM-EUSO, per lo studio di raggi cosmici dalla stazione spaziale internazionale. 

Il modello del telescopio spaziale JEM-EUSO 

Poster sulla radiazione ambientael

Verrà  anche misurata la radiazione ambientale e confrontata con quella di oggetti di uso  comune.

Il RIKEN si trova a Wako, prefettura di Saitama, ad una quindicina di minuti da Ikebukuro.

Chi non può partecipare il 20, è ovviamente sempre benvenuto!

I veri confini del sistema solare, Frank McDonald e le Voyager

E' di questi giorni la pubblicazione di un articolo su Journal of Geophysical Research dell'uscita dal sistema solare della sonda Voyager 1.  La transizione è  avvenuta il 25 agosto 2012 ad una distanza di circa 120 unità astronomiche.  L'evento, per quanto importante e di estremo interesse, non è unico. Infatti:

Non è la prima volta che questo avviene:  le due sonde Voyager hanno misurato effetti simili più volte, via via che si avvicinavano allo shock di terminazione del vento solare. Si tratta della regione, variabile per dimensioni e forma, in cui le particelle di vento solare (emesse dal sole ad una velocità di svariate centinaia di km/s), rallentano sino a formare un'onda d'urto di particelle cariche. Questa barriera accelera i cosiddetti raggi cosmici anomali (ad esempio nuclei di Ossigeno - A in figura) per cui il loro numero aumenta all'interno dell'eliosfera (ossia a sinistra nella figura). La barriera deflette anche i raggi cosmici galattici, per  cui il numero di particell cresce con il passare del tempo. 

I tre confini del sistema solare

Non esiste un confine del sistema solare ma (almeno) tre. Oltre allo shock di terminazione vi sono almeno altre due regioni che distinguono il sistema solare dal mezzo galattico: la magnetopausa, in cui il campo magnetico solare decresce sino ad avere lo stesso valore di quello della galassia; lo shock supersonico, analogo a quello che si forma davanti ai caccia supersonici e dovuto al movimento del Sole nella galassia. Vi sono poi regioni gravitazionalmente legate al sole come la fascia di Kuiper e la nube di Oort, per cui è difficile stabilire cosa si intenda per confine del sistema solare. 

L'evento è comunque importantissimo: queste due sonde, frutto di  un periodo pioneristico e più favorevole alle missioni spaziali ed alla scienza in generale, hanno  fornito dati importantissimi sui pianeti, le lune e tutto il nostro sistema solare. Con una manciata di bit al minuto riescono ancora  trasmettere dati su una regione che probabilmente non sarà esplorata per almeno un secolo.

Una nota personale. Ho avuto l'onore di conoscere uno dei due autori dell'articolo, Frank McDonald, che ha progettato alcuni rivelatori delle Voyager, seguendole  dal loro lancio  e per tutto il  viaggio nel sistema solare. All'età di quasi novanta anni era ancora estremamente brillante ed attivo scientificamente ed avevamo collaborato per confrontare i dati di Pamela ad una unità astronomica (1AU intorno alla Terra) e quelli delle Voyager a 120 AU. E' deceduto lo scorso agosto, pochi giorni prima che la "sua" sonda fornisse questi altri importantissimi dati. E' venuto a mancare mentre stava tenendo  un seminario: per quanto la sua morte abbia rattristato tutti, è difficile pensare ad un modo migliore per continuare ad esplorare in spirito  l'universo.

Come deflettere asteroidi e meteoriti e salvare la Terra senza essere Bruce Willis

Il meteorite di Chicxulub, nella penisola
dello Yucatan. Immagine e (c) di
Shun Iwasawa

L'esplosione di una meteora sugli Urali quest'oggi 15 febbraio, ha mostrato come la minaccia di asteroidi e corpi celesti non si trova solo nei pessimi film di Hollywood o nelle passate ere geologiche ma è attuale e non trascurabile. 

Non c'è stato impatto al suolo: sulla terra sono caduti solo alcuni frammenti. I feriti sono dovuti all'onda d'urto dovuta alla compressione dell'aria che ha spaccato vetri e divelto porte e finestre. 

Nella sua drammaticità mostrata dai vari video, questo era un oggetto molto piccolo, che non è stato neanche rivelato dai sistemi di tracciamento terrestri (che pure soffrono di mancanza di fondi). In passato oggetti più grandi, come a Tunguska, hanno distrutto enormi aree. 

Per questo motivo, negli anni scorsi sono state studiate varie e disparate tecniche per deflettere un asteroide dalla sua traiettoria.
Tracciamento degli asteroidi e tempi di allestimento sono descritti in un post gemello su scientificast.it Tutti gli scenari presuppongono comunque una missione che agisca con almeno 10 anni di anticipo (supponendo che sia pronta), date le masse  e velocità in gioco. Purtroppo salvataggi all'ultimo secondo stile Bruce Willis sono resi impossibili da semplici considerazioni di energia cinetica di questi oggetti. 

Per salvarci dall'estinzione vi sono varie idee, alcune assolutamente irrealistiche, altre con discrete potenzialità:

Esplosione nucleare. Un grande classico, ottima efficienza di conversione massa/energia. Se fatta esplodere a distanza di qualche centinaio di metri, l’energia rilasciata sotto forma di raggi X e neutroni riscalda lo strato superficiale fino a farlo bollire e farlo distaccare dall’asteroide creando un getto che ne  devia la traiettoria. La distanza ottimale dell’esplosione è a circa il 40% del raggio dell’asteroide,  quindi 200 m per un corpo di 1 km. L’esplosione necessaria varia da 1 a 10Mt (Milioni di tonnellate di esplosivo equivalenti. Hiroshima era 0.01Mt).  Se l’arma è fatta detonare sulla superficie o sotto la superficie è sufficiente una energia minore, da 0.040 a 0.1 Mt: tuttavia bisogna tener conto anche della massa aggiuntiva per il sistema di atterraggio e di scavo, che rendono più complicato il profilo di missione ed aggiungono macchinari che potrebbero malfunzionare. Plausibile

Concentratore solare

Telescopio con due lenti di Fresnel di  1 m. E' utilizzato
per guardare i raggi cosmici di notte
 nell'esperimento JEM-EUSO ma se puntato sul sole farebbe
evaporare l'asfalto in pochi istanti.

In questo caso si pensa di utilizzare delle lenti per focalizzare la luce del sole in un punto dell’asteroide scaldandolo sino a far vaporizzare la roccia. Il continuo zampillo di roccia fusa accelera lentamente l’asteroide sino a farlo deviare dalla traiettoria originale. Per avere un’area di qualche metro quadro è possibile utilizzare delle lenti di Fresnel. Questo tipo di lenti prende il nome dallo scienziato francese del XVIII secolo che le inventò per utilzzarle nei fari. Una lente di Fresnel è come una lente normale cui sia stata tolta tutta la parte interna, e riportata su un solo foglio zigrinato la curvatura della lente. In questa maniera è possibile realizzare ampie superfici con un enorme risparmio di massa. Lenti di questo genere sono in corso  di realizzazione in un esperimento per  studio di raggi cosmici di ultra-alta-energia dallo spazio. Nell’esperimento JEM-EUSO si realizzerà un telescopio del diametro di 2.5 m di apertura con lenti di Fresnel. In questo caso si vuole osservare la luce di fluoresecenza emessa dalle particelle nella loro interazione con l’atmosfera. Lenti simili possono essere montate  su una sonda interplanetaria che raggiunga l’asteroide sino a mettersi in orbita attorno ad esso. Le difficioltà tecniche nascono dalla necessità di allineare correttamente le lenti con i sole e l’asteroide, creando il getto di roccia fusa  in maniera che lo allontani dalla Terra. Inoltre il gas e la roccia sparata dall’asterodie potrebbero sporcare la lente rendendola opaca e meno efficiente. Si tratta comunque di uno dei sitemi più semplici per realizzazione e tecnologie a disposizione. Plausibile 

Laser a microonde e deposizione di energia. Sparare da terra con un laser o fascio di microonde avrebbe il vantaggio di utilizzare strutture molto potenti, ma lo svantaggio di poter essere utilizzato solo quando l’asteroide è molto vicino alla terra. Inoltre il laser sarebbe sparato verso la “testa” dell’asteroide, mentre la massima deflessione si avrebbe colpendolo di fianco.  Assumendo una distanza di fuoco pari a quella dell’orbita della Luna, anche utilizzando uno dei laser più potenti (92MJ) con l’efficienza massima, lascerebbe solo tempo per due dozzine di colpi, sufficienti al massimo per distruggere oggetti grandi   che quindi si disintegrerebbero comunque nell’atmosfera. Irrealistico, troppo tardivo

Propulsione. Difficile a realizzarsi per le elevate quantità di carburante necessarie. Un motore a propulsione chimica  dovrebbe bruciare 50 tonnellate di carburante per un’ora per spostare un corpo roccioso di 150 m. La quantità di carburante cresce con la massa, ossia il cubo del raggio per cui un asteroide ipotetico di 1 km richiederebbe 15mila tonnellate di carburante. Si è anche ipotizzato di utilizzare motori più efficienti, alimentati con reattori nucleari, che possano espellere idrogeno a 3000 gradi  e che richiederebbero una massa di 14 tonnellate,  minore  ma ancora elevata . Questi motori furono provati negli anni ’60 e ’70 ma non divennero mai operativi. Alle difficoltà di trasporto si sommerebbero quelle di assemblaggio ed installazione del motore, che richiederebbero una missione con uomini, estremamente complessa. Irrealistico

Propulsione elettrica e a plasma: SI tratta di una propulsione a ioni in cui un minuscolo getto di atomi ionizzati viene espulso dal motore. Questa tecnologia è stata già utizzata in missioni che hanno raggiunto asteroidi, come Hayabusa giapponese. È estremamente efficiente ma è terribilmente lenta. Per deflettere un asteroide servirebbe comunque un reattore nucleare per fornire l’energia necessaria.  Inoltre sarebbe necessario attivare il motore solo quando la rotazione dell’asteroide è nella posizione corretta, altrimenti si rischierebbe di non far nulla o peggiorare la situazione. Troppo lento

Vele solari nella
fantascienza

Vela solare Questa tecnologia sfrutta la pressione di radiazione del Sole per spingere lentamente una vela composta di un materiale ultraleggero. Anche in questo caso le spinte in gioco sono infinitesimali (8 microNewton  per metro quadro), per cui servirebbe una vela grande 100 volte la stazione spaziale internazionale per spingere via con una velocità di 5cm/s un oggetto di “appena” 150 m in un anno. La tecnologia della vela solare è stata già provata con oggetti molto più piccoli e risulta comunque promettente per l’esplorazione futura del sistema solare. Troppo lento ma con altre potenzialità

Orione Per deflettere gli asteoridi si potrebbe ripescare dal cassetto il Progetto Orione, approntato nei primi anni Sessanta su un’idea del fisico nucleare Theodore Taylor (1925-2004). Il progetto prevedeva di far detonare delle piccole bombe nucleari a qualche decina di metri dall’astronave e utilizzare l’onda d’urto per spingerla in avanti. Al tempo fu calcolato che una navicella con questo tipo di propulsione avrebbe potuto raggiungere Plutone e tornare indietro in meno di un anno, coprendo una distanza 400 volte superiore a quella che ci separa da Marte. Tutto bene secondo i calcoli e la tecnologia. Ma il progetto fu forzosamente abbandonato nel 1963 in conseguenza della ratifica che proibiva i test nucleari nell’atmosfera. Plausibile tecnicamente ma improbabile dal punto di vista politico.

Allo stato attuale siamo quindi lontani dall'essere in grado di salvarci da un asteroide come quello di Chicxulub o quello di Tunguska. Nonostante tutto il nostro progresso scientifico non siamo molto più protetti dei dinosauri.

(1) continua

Tratto ed adattato dal libro su "come sopravvivere alle catastrofi", di prossima pubblicazione.

Il capitolo dei Maya è comunque gratuitamente disponibile qui